磁性桉叶活性炭去除水中重金属离子的研究

本研究利用提取过精油和栲胶之后的桉叶废渣制备磁性活性炭,用于吸附含铅、铜废水。在广西,桉树叶廉价易得,本研究利用其为原料,为桉叶这种生物质资源经进一步处理后用于吸附废水中的重金属提供理论依据。此研究不仅充分有效的利用桉叶林业废弃物这类资源,避免了桉树资源的浪费,而且符合循环经济和绿色环保要求,实现了废弃物的资源循环再利用,有很好的利用发展空间,有较高的经济和社会效益。

摘 要

重金属污染是一个亟需解决的环境问题。吸附法是常用的方法之一，然而，传统的吸附剂在废水处理应用中存在固液分离难的问题，磁分离技术作为一种新兴分离方式能解决这一问题。广西大面积种植的桉树每年产生大量桉叶废弃物，本课题将其作为原料，制备成磁性活性炭，将其用于去除水中铅Pb(II)、Cu(II)离子，考察影响重金属离子去除效果的主要因素，并考察了各因素对其磁分离效果的影响，初步探讨其在电镀废水处理方面的应用潜力。 主要结论如下：

（1）X射线衍射（XRD）分析发现，磁性活性炭中的铁氧化物主要是Fe3O4，此外还存在一部分无定型铁氧化物及少量的γ-Fe2O3。傅里叶红外光谱（FTIR）分析发现，磁性活性炭表面包含C=C、N-H等官能团。

（2）溶液初始pH、温度、接触时间、吸附剂投加量、共存离子和初始金属离子浓度均对Pb(II)和Cu(II)的去除有影响。在pH为2~6的范围内，Pb(II)和Cu(II)的去除率随pH的升高而增大；随着温度的升高Cu(II)的去除率越来越大，而Pb(II)呈现先增大后减小的趋势，说明2者在吸附过程中均存在化学吸附。

（3）在不同温度下，Pb(II)在磁性活性炭上的吸附均能用Freundlich和Langmuir模型描述。Pb(II)和Cu(II)的去除过程均与伪二级动力学模型相符。

（4）沉降时间、溶液初始pH、磁性吸附剂投加量、距离磁铁距离对磁分离效果有影响。其中，离磁铁距离影响最大。

（5）磁性活性炭均能良好地去除镀镍以及高浓度的镀铬废水，当投加量为40 g/L时，Ni(II)与Cr(VI)的去除率均超过95%，其他共存离子去除率均达到100%。

综上所述，桉叶废弃物来源广泛、价格低廉，可用于制备高效的磁性重金属吸附剂。

关键词：重金属废水 桉叶废弃物 磁性活性炭 磁分离

本研究利用提取过精油和栲胶之后的桉叶废渣制备磁性活性炭,用于吸附含铅、铜废水。在广西,桉树叶廉价易得,本研究利用其为原料,为桉叶这种生物质资源经进一步处理后用于吸附废水中的重金属提供理论依据。此研究不仅充分有效的利用桉叶林业废弃物这类资源,避免了桉树资源的浪费,而且符合循环经济和绿色环保要求,实现了废弃物的资源循环再利用,有很好的利用发展空间,有较高的经济和社会效益。

SORPTION OF HEAVY METAL IONS FROM AQUEOUS BY

MAGNETIC ACTIVATED CARBON PRODECED FROM

EUCALYPTUS LEAF RESIDUE

ABSTRACT

Heavy metal contamination has been attracting more and more attention of people recently. However, traditional adsorbents applied are limited by difficulties in separation process. Magnetic separation technology, emerging as a new approach, can easily separate magnetic sorbents from solution. Eucalyptus trees have widely planted in Guangxi and massive leaf wastes are produced every year. In this paper, magnetic activated carbon was made from eucalyptus leaves to remove the Pb (II) and Cu (II) ions in the water. Effects of operating conditions, adsorption equilibrium and kinetic experimental data of the heavy metal adsorption are investigated. Various factors affecting its magnetic separation are also studied. And potential of magnetic activated carbon applied for electroplating wastewater treatment was preliminarily explored. The main conclusions are as follows:

(1) X-ray diffraction (XRD) illustrates that the iron oxide is mainly Fe3O4, amorphous iron oxides and a small amount of γ-Fe2O3. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis proves that the surface of magnetic activated carbon contains C = C, N-H and other functional groups.

(2) Initial pH, temperature, contact time, adsorbent dosage and initial coexisting ions in the solution were significant factors for removal of Pb (II) and Cu (II). The removal efficiencies of Pb(II) and Cu(II) increase with increasing solution pH. The Cu(II) adsorption capacity increase with an increase in temperature.

(3) The adsorption equilibrium dara of Pb (II) were well interpreted by langmuir and Freundlich isotherm at different temperatures. Both of Pb(II) and Cu(II) adsorption processes are consistent with the pseudo-second-order kinetic model.

I

本研究利用提取过精油和栲胶之后的桉叶废渣制备磁性活性炭,用于吸附含铅、铜废水。在广西,桉树叶廉价易得,本研究利用其为原料,为桉叶这种生物质资源经进一步处理后用于吸附废水中的重金属提供理论依据。此研究不仅充分有效的利用桉叶林业废弃物这类资源,避免了桉树资源的浪费,而且符合循环经济和绿色环保要求,实现了废弃物的资源循环再利用,有很好的利用发展空间,有较高的经济和社会效益。

(5) Settling time, initial solution pH, magnetic adsorbent dosage and the strength of the magnetic field can affects the efficiency of magnetic separation, among which, the strength of magnetic field is the main factor.

(6) The adsorption efficiencies of Ni(II) and Cr(VI) from Ni-containing and Cr-containing electroplating wastewater are more than 95% with a dosage of 40 g/L.

In summary, the results confirm that magnetic activated carbon made from eucalyptus leaves is locally available, low-cost, technically feasible and highly efficient sorbent for heavy metal-contained wastewater treatment.

Key words: heavy metal wastewater; eucalyptus waste; magnetic activated carbon; magnetic separation

II

本研究利用提取过精油和栲胶之后的桉叶废渣制备磁性活性炭,用于吸附含铅、铜废水。在广西,桉树叶廉价易得,本研究利用其为原料,为桉叶这种生物质资源经进一步处理后用于吸附废水中的重金属提供理论依据。此研究不仅充分有效的利用桉叶林业废弃物这类资源,避免了桉树资源的浪费,而且符合循环经济和绿色环保要求,实现了废弃物的资源循环再利用,有很好的利用发展空间,有较高的经济和社会效益。

目录

第一章 绪 论 ........................................................................................................... 1

1.1重金属来源及危害 .................................................................................... 1

1.2重金属处理方法 ........................................................................................ 1

1.3活性炭概述及其活化方法 ........................................................................ 1

1.4磁性分离技术 ............................................................................................ 2

1.5磁性活性炭研究进展 ................................................................................ 3

1.6 研究目的及意义 ........................................................................................ 4

1.7 研究内容 .................................................................................................... 5

1.8 创新点 ........................................................................................................ 6

第二章 实验材料和实验方法 ................................................................................ 7

2.1 实验材料 .................................................................................................... 7

2.1.1 化学试剂 ......................................................................................... 7

2.1.2 磁性活性炭的制备 ......................................................................... 7

2.1.3 电镀废水来源及其性质 ................................................................. 8

2.2 实验仪器设备 ........................................................................................... 8

2.3 分析方法 .................................................................................................... 9

2.3.1 化学分析 ......................................................................................... 9

2.3.2 仪器分析 ....................................................................................... 10

2.3.3 数据处理 ....................................................................................... 11

2.4 实验方法 .................................................................................................. 11

2.4.1 重金属溶液的配制 ....................................................................... 11 III

本研究利用提取过精油和栲胶之后的桉叶废渣制备磁性活性炭,用于吸附含铅、铜废水。在广西,桉树叶廉价易得,本研究利用其为原料,为桉叶这种生物质资源经进一步处理后用于吸附废水中的重金属提供理论依据。此研究不仅充分有效的利用桉叶林业废弃物这类资源,避免了桉树资源的浪费,而且符合循环经济和绿色环保要求,实现了废弃物的资源循环再利用,有很好的利用发展空间,有较高的经济和社会效益。

2.4.2吸附实验 ....................................................................................... 12

第三章 水中铅、铜离子的去除 ......................................................................... 13

3.1 铅、铜离子吸附的影响因素 .................................................................. 13

3.1.1 溶液初始pH的影响..................................................................... 13

3.1.2 接触时间与温度的影响 ............................................................... 15

3.1.3 吸附剂投加量的影响 ................................................................... 16

3.1.4 共存离子的影响 ........................................................................... 17

3.2 机理分析 .................................................................................................. 19

3.2.1 等温吸附模型 ............................................................................... 19

3.2.2 动力学分析 ................................................................................... 19

3.2.3 XRD分析 ...................................................................................... 24

3.2.4 FTIR分析 ...................................................................................... 25

3.3 本章小结 .................................................................................................. 26

第四章 磁分离实验 .............................................................................................. 27

4.1 沉降时间对分离效果的影响 .................................................................. 27

4.2 溶液初始PH对分离效果的影响 ........................................................... 29

4.3 磁性吸附剂投加量对分离效果的影响 .................................................. 30

4.4 磁场大小对分离效果的影响 .................................................................. 31

4.5 负载重金属离子对分离效果的影响 ...................................................... 31

4.6 本章小结 .................................................................................................. 33

第五章 磁性活性炭处理电镀废水 ...................................................................... 34

5.1 镀镍废水的处理 ...................................................................................... 34 IV